Korečník na horní vodu

(Vynálezce není znám. Systém tohoto kola popisoval již římský učenec Plinius, narozený 132 let před našim letopočtem) Jedná se o nejtypičtější vodní kolo v Českých zemích. Na vstupu využívá kinetické, dále jen potenciální energie vody. Účinnost 65 až 80% (podle řemeslného a materiálového provedení a to při plnění od 10% do 120%).
Rozsah použití:
   spád   
[m]		průtok
[ltr./sec.]
(1,6)2,5...5 (min.5)12...300
5...10 max.500

Schema uspořádání:

schema uspořádání korečníku na horní vodu



Princip kola:
Voda je přiváděna ke kolu korytem - "vantrokem", rychlostí od 0,6 do 1 m/sec. Na konci vantroku, ještě před nejvyšším bodem kola, je regulační stavidlo (většinou šikmé), pod kterým se vypouští tenký a plochý paprsek vody tak, aby obloukem dopadal právě do nejvyššího bodu kola. Tento paprsek musí mít dvojnásobnou rychlost, než jakou se kolo otáčí. (To aby voda dokázala korečky doběhnout a naplnit je.) Vlastní kolo je opatřeno mělkými a širokými, výrazně skloněnými korečky, které jsou tvořeny masivními postranními věnci, vlastními šikmými lopatkami, "svorci" (radiálně orientované prkno) a "poddénkami", kterými je kolo vybedněno zevnitř. Kolo se otáčí volně v prostoru a nedotýká se spodní hladiny. Voda působí v kole při plnění korečků nárazem a po jejím uklidnění po další část spádu svou hmotností. Ve spodní části kola dochází k předčasnému vylévání vody z korečků, kterému lze zabránit zakřivenou stěnou - "voletem".

Použití:
Toto kolo vyhoví všude tam, kde je sice již dostatečný spád na turbínu, ale její použití je z důvodu proměnnosti toku nebo jeho velkého znečištění vyloučeno. Je také vhodným vodním motorem všech historických objektů, které mají být využity jako MVE. Je do jisté míry samoregulační a nenáročné na obsluhu. Velmi dobře se osvědčí i u závlahových čerpadel a ostatních mechanických pohonů, kde by mohlo za nepřítomnosti obsluhy při poklesu průtoku dojít k zavzdušnění a zastavení turbíny. Je provozně nenáročné a dá se použít i na tocích, jehož chrakter a průtok není předem přesně znám. Při snížených otáčkách zpracuje i mnohonásobně menší průtoky než na které je počítáno a to bez poklesu účinnosti. Výrazně přispívá k okysličení vody. Riziko znečištění vody ropnými látkami je vyloučeno a tak je možné kolo použít i na přítocích do vodárenských nádrží na pitnou vodu. Toto kolo se ale nesmí brodit ve spodní vodě, takže neobstojí tam, kde hrozí její výrazný vzestup.

Rozměry kola:
Veškeré rozměry týkající se průměru kola a tvaru lopatek jsou odvozeny od spádu "H":

Pro praktické použití vystačí tabulka nejdůležitějších rozměrů:

H
  [m]  		D
[m]		d
[m]		h1
[m]		s
[m]		lop.
[ks]		n
[ot./min.] 		Q1
[ltr./sec.] 		P1
     [W]     
1,6 1,31 0,91 0,24 0,037 24 14,6 60  691
1,8 1,51 1,11 0,24 0,037 24 12,7 60 778
2 1,71 1,27 0,24 0,040 28 11,2 66 950
2,2 1,91 1,47 0,24 0,040 28 10 66 1 045
2,4 2,00 1,56 0,35 0,040 28 11,4 79 1 369
2,6 2,14 1,62 0,41 0,048 30 11,6 101 1 898
2,8 2,34 1,82 0,41 0,048 32 10,6 101 2 044
3 2,54 2,02 0,41 0,048 32 9,8 101 2 190
3,2 2,74 2,22 0,41 0,048 36 9,1 101 2 336
3,4 2,94 2,42 0,41 0,048 36 8,4 101 2 482
3,6 3,08 2,48 0,47 0,055 36 8,7 1,26 3 266
3,8 3,21 2,61 0,54 0,055 38 8,9 135 3 694
4 3,41 2,81 0,54 0,055 40 8,4 135 3 888
4,2 3,61 3,01 0,54 0,055 42 7,9 135 4 082
4,4 3,81 3,21 0,54 0,055 44 7,5 135 4 277
4,6 4,01 3,41 0,54 0,055 46 7,2 135 4 471
4,8 4,21 3,61 0,54 0,055 48 6,8 135 4 666
5 4,41 3,81 0,54 0,055 48 6,5 135 4 860
5,2 4,53 3,83 0,62 0,064 46 6,7 168 6 290
5,4 4,61 3,91 0,74 0,064 46 7,3 184 7 144
5,6 4,81 4,11 0,74 0,064 48 6,9 184 7 409
5,8 5,01 4,31 0,74 0,064 48 6,7 184 7 673
6 5,21 4,51 0,74 0,064 48 6,4 184 7 938
6,5 5,71 5,01 0,74 0,064 56 5,9 184 8 600
7 6,21 5,51 0,74 0,064 60 5,4 184 9 261
7,5 6,58 5,88 0,87 0,064 64 5,5 200 10 773
8 6,99 6,29 0,96 0,064 68 5,5 210 12 096
8,5 7,49 6,79 0,96 0,064 72 5,1 210 12 852
9 7,99 7,29 0,96 0,064 76 4,8 210 13 608
9,5 8,49 7,79 0,96 0,064 80 4,5 210 14 364
10 8,99 8,29 0,96 0,064 84 4,3 210 15 120

Z tabulky zjistíte:

... z těchto údajů vypočtěte šířku kola: 


šířka kola "B"[m]  =  požadovaný průtok "Q"[ltr./sec.]  /  průtok na metr "Q1"[ltr./sec.]

... z těchto údajů vypočtěte výkon kola na hřídeli: 


výkon kola "P"[W]  =  šířka kola "B"[m]  x  výkon na metr "P1"[W]

výkon kola lze spočítat i podle vzorce: 


výkon kola "P"[W]  =  0,72  x  spád "H"[m]  x  požadovaný průtok "Q"[ltr./sec.]



Konstrukční detaily:
  • Voda vstupující do kola musí mít dvojnásobnou rychlost, než jakou se kolo otáčí. To zajišťuje tlak vody nastoupaný před stavidlem a fakt, že bod, kde vstupuje voda do kola je o výšku h1 pod hladinou. náčrt skluzu

    (Tohoto efektu lze dosáhnout i jinak, například přepadem se zakřiveným plechovým skluzem. Ten se pak chová samoregulačně a MVE s asynchronním generátorem nevyžaduje žádný hladinový regulátor.)

  • Sklon lopatky k tečně věnce je 30o. Úhel , který svírá vodní paprsek v okamžiku vstupu do věnce s tečnou je zhruba 15o. (Vektorový rozbor dílčích rychlostí ukázal, že se nejedná o optimální velikost úhlů. Uvedená hodnota vychází z praktických zkušeností nejvyšší dosazené účinnosti. Matematicky správný sklon lopatky by vytvořil mělký a předčasně se vylévající koreček.)

  • Lopatky musí být co nejhustěji. Jejich rozteč však musí být větší než tloušťka paprsku vstupující vody, aby mohl z korečku unikat vzduch.

  • Lopatky se musí vzájemě překrývat asi o jednu třetinu.

  • Paprsek tryskající z vantroku je o 4 cm užší než délka lopatky.

  • Lopatky delší než 0,5 metru jsou uprostřed šířky kola mezi sebou propojeny pásovinou 40x6 až 50x10 a šrouby M16 až M20.

  • Při větších průtocích a menších spádech nabývá kolo vzhledu širokého bubnu.

  • Při vyšších spádech (nad 5m) může být svorec vyšší než polovina hloubky kola.

  • Kolo širší než 2 metry se rozdělí na dvě poloviny dalším věncem uprostřed, který je nesený další soustavou ramen.

  • Voda za regulačním stavidlem je vedena do korečků tzv. výtokovým plechem tloušťky 4 až 8mm.

  • Mezera mezi kolem a vantrokem či výtokovým plechem je u dřevěných kol 20mm, u plechových 5mm. Je-li nebezpečí namrzání, přičtěte k této hodnotě dalších 20mm.

  • Tloušťky materiálů vypočtené na základě pevnosti materiálu v praxi neobstály, protože se zde uplatňuje mnoho vnějších vlivů (nehomogenita dřeva, vnitřní pnutí, cyklické navlhání a vysušování, mráz). Proto většina tlouštěk polotovarů vychází z praxe prověřené stovky let:

    Je-li kolo dřevěné, pak jsou jeho základní části z borového dřeva, zejména věnce a ramena. (chráněno před sluncem a při trvalém provozu - životnost 20let.). Některé více namáhané díly jako kolíky a klíny z dubu. U úzkých kol jsou lopatky borové. Široká kola mají kvůli váze a pevnosti lopatky smrkové, případně jedlové či topolové. Ty ale mají životnost (jen 10 let a pak se musí vyměnit). Vyjmečně je možné menší kolo postavit celé z dubu, bude však velmi těžké. Výchozí hodnotou pro použité tloušťky je šířka věnce "a", někdy označována jako "hloubka kola": 

    "a"[m] = 0,5 x ("D"[m] - "d"[m])

    Na základě toho lze vyčíst další údaje z tabulky:

    tloušťka lopatky 10% z "a"
    tloušťka svorce 12,5% z "a"
    tloušťka poddénky 14% z "a"
    tloušťka vnitřních segmentů 16,5% z "a"
    tloušťka vnějších segmentů 14% z "a"


  • Širší lopatky jsou spojeny na pero, náběžná hrana je přiměřeně přiostřená. Skládají se do věnců tak, aby "pravá" strana desek směřovala proti přitékající vodě. Totéž platí pro svorce. Poddénky jsou "pravou" stranou k hřídeli.

  • Věnce jsou spojeny ze segmentů. Segmenty se kladou tak, aby "pravá" strana fošen směřovala k lopatkám. Spoje vnitřních segmentů jsou na polovině segmentů vnějších a opačně. Vnitřní a vnější segmenty jsou mezi sebou sešroubovány vratovými šrouby M12 až M24 a ještě proti posunu kolíkovány přesušenými dubovými kolíky průměru 20 až 50mm. Šroby a kolíky nesmí být blíže k okraji segmentu než 60mm a osová vzdálenost mezi nimi nejméně 180mm. Počet segmentů se volí s ohledem na prořez a šířku fošny, která je k dispozici. Právě šířka řeziva bývá v mnoha případech omezujícím faktorem větší šířky věnce "a" (i když i ty lze kvalině slepit dvousložkovým lepidlem z více dílů).

  • Věnce jsou mezi sebou staženy dlouhými závitovými tyčemi M20 (U malých kol M16, případně méně. Tyč prochází v mezilopatkovém prostoru - u stěny mimo vodní paprsek) a tak svírá lopatky. Na počtu tyčí nešetřete, dobrým stažením kolo nabude velké tuhosti a stálosti tvaru. Pod maticemi musí být velké podložky, aby se dřevo nevymačkalo.

  • Hloubka drážek pro lopatky se dlabe nebo frézuje 15 až 20 mm. Drážky nesmí být těsné, dřevo lopatek je při montáži suché (vysušené a vyzrálé na běžnou vlhkost 15% až 20%). Když se namočí, zvětší své rozměry až o 7% a kdyby byla drážka těsná, tak by věnec roztrhlo! Šířka drážek je taková, aby lopatky šly zcela volně zasunout. Proti vypadení se zajistí hřebíkem (nejlépe měděným), zbytek se dotěsní nabobnáním sám. Totéž platí i o všech dalších zadlabávaných spojích na vodním kole.

  • Je-li kolo v provozu celoročně, neimpregnuje se, protože drahá impregnace nepřinese žádné podstatné prodloužení jeho životnosti. Při občasném sezónním provozu však změnami značně trpí (hlavně kola dekorační). V takovém případě je vhodné nechat jeho díly před sestavením průmyslově vakuovo-tlakově napustit ekologicky nezávadným přípravkem Katrid nebo Wolmanit.

  • Má-li kolo plechové lopatky, dělají se plynule zakřivené z plechu tl. 4 až 6mm. K věncům, se připevňují pomocí stejně zakřiveného profilu "L". K poddénce taktéž, svorec je vynechán.

  • Dřevěný hřídel je zásadně z dubu. Na obou koncích byly do naříznutého hřídele zasazeny litinové čepy se dvěma či čtyřmi křídly a zajištěny obručemi naraženými zatepla na kuželovitý konec. Ramena mohou být do kulatého hřídele vetknutá (konec ve tvaru komolého jehlanu), nebo čtyřhranný hřídel obkračují (pevnější). (Dříve se na hřídel používal kmen z dubu zeleňáku - co má listí i přes zimu, který rostl na studené severní větrné stráni, někde na pasece. Takový strom rostl pomalu, nemusel spěchat, aby předrostl ostatní a tak měl velmi husté letokruhy. Jeho dřevo bylo mimořádně pevné. Po poražení, které se odehrávalo v lednu nebo únoru se odkornil a přibližně otesal na požadovaný tvar. potom se na 30 let zakopával do vlhké hlíny, aby "odležel", čímž se v budoucnu zamezilo jeho deformacím. Otec tak zakopával hřídel pro svého syna. Když se takový hřídel při výrobě nebo za provozu poškodil, byla to velká katastrofa. Orientačně - pro výkon kola 10kW by byl použit dubový hřídel silný 45...50cm.)

    technické provedení přeslice Kola do šířky 0,8m mohou mít pouze jednu soustavu ramen (tvořící kříž), která je uprostřed šířky kola. Ramena jsou v takovém případě na obvodu kola zasazena do "přeslic" (hranolek spojující pod poddénkou oba věnce kola). Spoj ramene s přeslicí i přeslice s věnce je mimo zádlaby pojištěn ještě pomocí železných úhelníků a šroubů.

    Širší kola od 0.8m do 2.5m mají dvě soustavy ramen. Širší kola než 2,5m mají soustavy tři a prostřední výztužný věnec.

  • Počet ramen v jedné soustavě je libovolný, vždy větší než 3 kusy. Je vhodné, aby jich bylo tolik kolik je segmentů nebo jejich celý násobek. Neomezuje-li technické řešení estetika a další důvody, lze využít výpočet užívaný starými sekerníky: 
    
pocet ramen [ks/soustava]  zaokrouhl.na celé císlo =  (2,5 x (1 + 0,5 x "D"[m]))


  • Ramena jsou obdélníkového průřezu s delší stranou v rovině otáčení, protože přenášejí kroutící moment na hřídel. Kratší strana je rovnoběžná s hřídelem.

    Starší literatura uvádí výpočet:

    Legenda:

    • M...delší strana profilu ramene v cm
    • N...kratší strana profilu ramene v cm
    • P...výkon kola v kW
    • D...průměr kola v metrech
    • i...celkový počet ramen

    výkon P vynásobte 0,4-násobkem průměru kola D a podělte počtem ramen i. Třetí odmocnina tohoto čísla je delší stranou profilu ramene M v cm 

    
N [cm] = 0,7 x M [cm]


  • Ramena se mohou ke svým koncům zužovat a to až o jednu čtvrtinu, nikoliv však v rovině otáčení, pouze z boku. Jejich konce jsou osazeny tak, že ozubem podpírají spodní stranu věnce.

  • Jsou-li i ramena železná, pak jsou z válcovaných profilů "U". Aby se síla u věnce rozložila, je použita styková deska nebo jsou v tom místě ramena obložena ze stran kousky profilu "L". Do kříže mezi oběma soustavami ramen je nutno vložit vzpěry nebo táhla z kulatiny průměru cca 20mm.

  • Hřídel kola je dnes vhodné vzhledem k potlačení deformací vyrobit vždy ocelový (silnostěná trubka) a ramena zakotvit v rosetách. Zde nelze doporučit nějaké obecné pravidlo, případ od případu je nutno řešit pevnostním výpočtem na sdružené namáhání - krut a ohyb.

  • Vývod hnací síly se standardně řešil pomocí palečného kola upevněného na hřídeli uvnitř budovy. Toto kolo má dvě třetiny průměru kola vodního. Je opatřeno soustavou výměnných habrových, dubových nebo jasanových palců s lichoběžníkovým tvarem ozubení, které zapadají do litinového nebo ocelového pastorku (tzv.trypu či trejbu), který přes další řemenový či ozubený převod pohání transmisi či generátor. (je-li kolo v budově a mazané - habr či akát; je-li v dosahu stříkající vody - dub; je-li protikolo nepřesné - pružný jasan, avšak životnost je menší) Platí zásada, že čím větší palečné kolo, tím má převod menší ztráty. Palce byly široké, postavené tak, aby bylo dřevo "pravou" stranou do záběru. Obráceně nasazené palce se rychleji opotřebují a mohou se vyštipovat. Sekerníci udávali životnost správně dimenzovaného, dobře mazaného akátového ozubení v suchém prostředí až na 50 let trvalého provozu ve dne v noci. (Z praxe mám změřeno, že na výkon 6 HP byly použity palce široké 10cm u paty tlusté 4cm s vrcholovým úhlem lichoběžníkového profilu zubu 20o. Po 20 letech každodenního provozu byly stále v dobrém stavu - Panská pila v Náměšti na Hané.) Tento převod mohl být řešen jako čelní (vnější i vnitřní), nebo i kuželový, popřípadě korunový. Pastorek býval v provopočátcích cévový, nověji však zásadně litý nebo frézovaný s geometrií běžnou pro klasická ozubená kola s velkým modulem. Pouze mezera mezi zuby byla větší, aby se do ní silnější dřevěný palec vešel. U menších vodních kol bylo palečné kolo součástí přímo jednoho z věnců vodního kola a jeho zuby směřovaly dovnitř k hřídeli. Pastorek byl na té polovině kola, která byla zaplněná vodou. Toto řešení odlehčuje hřídel od kroutícího momentu. Váha vody se přenáší přímo do záběru a vnitřní ozubení lépe zabírá do pastorku. Nevýhodou je, že převod nelze mazat ropnými mazadly, ale maže se jen odstřikující vodou. Palce v tomto případě musí být výhradně dubové a širší. Ze soudobých materiálů lze použít texgumid. Silon a podobné nevrstvené materiály nejsou vhodné (mráz). Kdo nemá možnost výroby ozubení, může opět použít cévového pastorku, ale doporučuji cévy opatřit volně otočnými výměnnými pouzdry. Také je možno spojit hřídel vodního kola se soustavou uzavřených převodovek (např. z nákladních automobilů) a poslední převod doladit řemenovým převodem, pak je údržba minimální.
Pro větší spády než 10 metry se toto kolo nestaví. Výkon kola limituje pevnost hřídele, ta za běžných okolností nedovoluje výkonnější kolo než asi 70kW. Větší průtok se rozdělí na více strojů a to podle hydrologických poměrů na lokalitě. Toho se snadno dosáhne rozdílnou šířkou kola. Starší verze těchto vodních kol jsou k vidění v Mlýnské dolině, která je součástí expozice Valašského musea v přírodě v Rožnově pod Radhoštěm nebo ve skanzenech na Veselém kopci u Hlinska, v Zubrnicích, Babičině údolí a mnoha dalších místech. (seznam zajímavých odkazů)

zpět na "O vodních kolech..."